水文地质学-----岩石中的空隙与水分.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,水体,水量,（,km,3,）,%,地表水,海洋水,1,338,000,000,96.54,冰川、冰盖及永久积雪,24,064,100,1.74,湖泊水,176,400,0.0127,沼泽水,11,470,0.0008,河流水,2,120,0.0002,地下水,重力水,（饱水带水）,23,400,000,1.69,土壤水（包气带水）,16,500,0.0012,地下冰（永久冻土带固态水）,300,000,0.0216,大气水,12,900,0.0009,生物水,1,120,0.0001,合计,1,385,984,610,100,表,1-1,地球浅部层圈水的分布,第一章 地球上的水及其循环,第二章 岩石中的空隙与水分,2.1,岩石中的空隙,意义,：,岩石空隙是地下水,储存场所,和,运动通道,。空隙的,多少、大小、形状、连通情况和分布规律,，对地下水的,分布,和,运动,具有重要影响。,松散岩石中的,孔隙,分类,：,将岩石空隙作为地下水,储存场所,和,运动通道,研究时，可分为,三类,，即,：,可溶岩石中的,溶穴,坚硬岩石中的,裂隙,1.分选良好，排列,疏松,的砂；2.分选良好，排列,紧密,的砂,3.分选不良的，,含泥、砂,的砾石；4.经过部分,胶结,的砂岩,5.具有,结构性孔隙,的粘土,6.经过压密的粘土,7.具有,裂隙,的岩石,8.具有,溶隙,及,溶穴,的可溶岩,岩石中的各种空隙,第二章 岩石中的空隙与水分,2.1.1 孔隙,定义,：,松散岩石是由大小不等的颗粒组成的,，,颗粒或,颗粒集合体,之间的,空隙,，称为孔隙。,意义,：,孔隙,体积的多少,是影响,岩石,储容地下水能力大小的重要因素,。,孔隙度,：,指某一体积岩石,（,包括孔隙在内,）,中孔隙体积所占的比例,。,其中，,n,表示岩石的,孔隙度,，,V,表示,包括孔隙在内的岩石体积,，,V,n,表示,岩石中孔隙的体积,。,第二章 岩石中的空隙与水分,2.1.1 孔隙,次生孔隙,：在碳酸盐岩层中，除粒间孔隙或晶粒间孔隙所构成的,原生孔隙外,，还有由,孔洞、裂隙、白云岩化所构成,的次生孔隙。,颗粒形状,结构孔隙,：粘性土颗粒表面带有的电荷，在沉积过程中粘粒聚合，构成颗粒集合体，形成直径比颗粒本身还大的结构孔隙。,第二章 岩石中的空隙与水分,2.1.1 孔隙,孔隙度的影响因素,：,孔隙度的大小主要取决于,分选程度,及,颗粒排列,情况，另外,颗粒形状,及,胶结充填情况,也影响孔隙度,。,对于粘性土，,结构,及,次生孔隙,常是影响孔隙度的重要因素,。,岩石名称,砾石,砂,粉砂,粘土,孔隙度,变化区间,25%,40%,25%,50%,35%,50%,40%,70%,松散岩石孔隙度参考数值,第二章 岩石中的空隙与水分,2.1.2 裂隙,固,结的,坚硬岩石,，包括沉积岩、岩浆岩和变质岩，一般不存在或只保留一部分颗粒之间的孔隙，而主要发育,各种应力作用下,岩石破裂变形产生的,裂隙,。,成岩,裂隙,构造,裂隙,风化,裂隙,裂隙率,：,体,裂隙率、,面,裂隙率、,线,裂隙率,卸荷,裂隙,第二章 岩石中的空隙与水分,野外研究裂隙时，应注意测定裂隙的,方向,、,宽度,、,延伸长度,、,充填情况,等,。,因为这些都对,地下,水的运动,具有重要影响。,2.1.3 溶穴,可,溶的沉积岩，如岩盐、石膏、石灰岩和白云岩等，在地下水溶蚀下会产生空洞，这种空隙称为,溶穴,（,隙,）,。,岩溶率,录像,图片,第二章 岩石中的空隙与水分,孔隙、裂隙、溶穴不是独立存在。,自然界岩石中空隙的发育状况远较上面所说的复杂。,总结与比较,松散岩石,固然以,孔隙为主,，但某些,粘土,干缩后可产生,裂隙,，而这些裂隙的水文地质意义，甚至远远超过其原有的孔隙。,第二章 岩石中的空隙与水分,因此，在研究岩石空隙时，必须注意观察，收集实际资料，在事实的基础上分析,空隙,的,形成原因,及,控制因素,，查明其,发育规律,。,岩,石中的空隙，必须以一定方式连接起来构成,空隙,、,网络,，才能成为地下水有效的,运移通道,（）和,储容空间,和。松散岩石、坚硬基岩和可溶岩石中的空隙网络具有不同的特点。赋存于不同岩层中的地下水，具有不同的分布与运动特点,。,孔隙水,、,裂隙水,和,岩溶水,固结程度不高的,沉积岩,，往往,既有孔隙,，,又有裂隙,。,可溶岩石，由于溶蚀不均一，有的部分,发育溶穴,，而有的部分则为,裂隙,，有时还可保留,原生的孔隙与裂缝,。,第二章 岩石中的空隙与水分,2.2,岩石中水的存在形式,地,壳岩石中存在着以下各种形式的水：,第二章 岩石中的空隙与水分,2.2.1 结合水,结合水与重力水,椭圆形小粒代表水分子，结合水部分的水分子带正电荷一端朝向颗粒,箭头代表水分子所受合力方向,第二章 岩石中的空隙与水分,定义,：,受固相表面的引力,大于,水分子自身重力,的那部分水，此部分水束缚于固相表面，不能在自身重力影响下运动。,固,相表面的引力,（静电引力）,：松散岩石的颗粒表面及坚硬岩石空隙壁面均带有,电荷,，水分子又是,偶极体,，由于静电吸引，固相表面具有吸附水分子的能力。,库伦定律,离固相表面,近,的水分子受到的静电引力,大,；随着,距离增大，引力减弱,，受重力的影响就愈显著。,由于,固相表面对水分子的吸引力自内向外逐渐减弱，结合水的物理性质也随之发生变化。因此，将最接近固相表面的结合水称为,强结合水,，其外层称为,弱结合水,。,第二章 岩石中的空隙与水分,强结合水,（又称吸着水）：厚度，不同研究者说法不一，一般认为相当于几个,水分子的厚度,；也有人认为，可达几百个水分子厚度。水分子,排列紧密,，其密度平均达,2g/cm,3,左右。,弱,结合水,（,又称薄膜水,）：,处于强结合水的外层，受到固相表面的引力比强结合水弱，但仍存在,范德华尔斯引力,和强结合水最外层水分子的静电引力的合力的影响，不同学者认为其,厚度,为几十、几百或几千个水分子厚度。,水分子,排列,不如强结合水规则和紧密，,溶解盐类的能力较低,。弱结合水的外层能被植物吸收利用。,水分子厚度,：1.92510,-9,m（认为水分子是球体，其直径）,第二章 岩石中的空隙与水分,2.2.1 结合水,结,合水区别于普通液态水的最大特征是,具有抗剪强度,，即必须施一定的力方能使其,发生,变形。结合水的抗剪强度由内层向外层减弱。当,施加的外力超过其抗剪强度时，外层结合水发生流动，施加的外力愈大，发生流动的水层厚度也加大。,剪应,力,（单位：帕斯卡）：物体由于外因（受力）而变形时，在物体内,各部分之间产生相互作用的内力,，以,抵抗这种外因,的作用，并,力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置,。在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力。同,截面相切,的称为剪应力或切应力。,第二章 岩石中的空隙与水分,定义,：距离,固体表面更远的那部分水分子，重力对它的影响,大于,固体表面对它的吸引力，因而能在自身重力影响下运动，这部分水就是,重力水,。,靠近,固体表面的那一部分，仍然受到固体引力的影响，水分子的排列较为整齐。这部分水在流动时呈,层流,状态，而不作,紊流,运动。,远离,固体表面的重力水，不受固体引力的影响，只受重力控制。这部分水在流速较大时容易转为,紊流,运动。,第二章 岩石中的空隙与水分,2.2.2 重力水,紊流,：流体力学中的一个术语，是指流体从一种稳定状态向另一种稳定状态变化过程中的一种,无序状态,。具体是指流体流动时各质点间的惯性力占主要地位，流体各质点不规则地流动。,层流,：当流体,速度,足够小,时，流体将作,分层平行流动,，流体质点的轨迹（一般说它随原始空间坐标,x,、,y,、,z,和时间,t,而变）是有规则的光滑曲线（最简单的情形是直线）在流动过程中，相邻质点的轨迹线彼此仅稍有差别，不同流体质点的轨迹线不相互混杂，这样的流动称为层流。,第二章 岩石中的空隙与水分,2.2.3 毛细水,第二章 岩石中的空隙与水分,2.2.4 气态水、固态水,固态水,：岩,石的温度低于0，空隙中的液态水转化为固态水。在,高纬度地区,和,中低纬度的高海拔地区,，由于气候寒冷，地下都存在着,多年冻土,，其冻结层上部有地下冰，冰层厚度由几十厘米到三五米不等。有一部分岩石赋存其中的地下水,多年中保持固态,，这就是所谓的多年冻土。,地球上多年冻土面积有3500万平方千米，水量约占地球总水量的万分之二。在我国，冻土主要分布在东北及青藏高原。,气态水,：,在,包气带,空隙中存在着气态水。气态水可以随空气流动而流动。另外，即使空气不流动，它也能从水汽压力（绝对湿度）大的地方向小的地方迁移。气态水在一定温度、压力条件下，与液态水相互转化，两者之间保持动平衡。,第二章 岩石中的空隙与水分,2.3,与水的储容及运移有关的岩石性质,岩,石,空隙,的,多少,、,大小,、,连通程度,及其,分布的均匀程度,，都对其储容、滞留、释出以及透过水的能力有影响。,2.3.1 容水度,定义,：,容水度是指岩石,完全饱水,时所能容纳的最大的水体积与岩石总体积的比值。,一般说来容水度在数值上与孔隙度（裂隙率、岩溶率）相当。但是对于具有,膨胀性的粘土,，充水后体积扩大，容水度可大于孔隙度。,第二章 岩石中的空隙与水分,2.3.2 含水量,含水量,说明松散岩石实际保留水分的状况。,重量含水量,：松散岩石孔隙中所含的水量（,Gw,）与干燥岩石重（,Gs,）的比值,体积含水量,：含水体积（,Vw,）与包括孔隙在内的岩石体积,（,V,）,的比值,若水的,比重,为,1,，岩石的干容重（单位体积干土的重）为,重量含水量与体积含水量的关系,第二章 岩石中的空隙与水分,2.3.2 含水量,饱和含水量,Ws,：孔隙充分饱水时的含水量,饱和差,：饱和含水量与实际含水量之间的差值,饱和度,：实际含水量与饱和含水量之比,比,重,：也称,相对密度,，固体和液体的比重是该物质的密度与在标准大气压，,3.98,时,纯,H,2,O,的密度（,999.972 kg/m,3,）的比值。气体的比重是指该气体的密度与标准状况下空气密度的比值。液体或固体的比重说明了它们在另一种流体中是下沉还是漂浮。,比重是无量纲量，即比重是无单位的值，一般情形下随温度、压力而变。密度是有量纲的量，比重是无量纲的量。,第二章 岩石中的空隙与水分,2.3.3 给水度,定义,：,我们把地下水位下降一个单位深度，从地下水位延伸到地表面的单位水平面积岩石柱体，在重力作用下释出的水的体积，称为给水度。,例如，地下水位下降 2m，1m,2,水平面积岩石柱体，在重力作用下释出的水的体积为0.2m,3,（相当于水柱高度0.2m），则给水度为 0.1或 10。,影响因素,：,对于均质的松散岩石，给水度的大小与,岩性,、,初始地下水位埋藏深度,以及,地下水位下降速率,等因素有关。,单位,体积,饱水,岩石体在重力作用下自由释出的水的体积,第二章 岩石中的空隙与水分,2.3.3 给水度,岩性,对给水度的影响主要表现为,空隙的大小与多少,。,例如，,颗粒,粗,大,的,松散,岩石，,裂隙,比较宽,大,的坚硬岩石，以及具有溶穴的,可溶岩,，,空隙宽大,，重力释水时，,滞留,于岩石空隙中的,结合水,与,孔角毛细水较少,，理想条件下给水度的值接,近孔,隙度、裂隙率与岩溶率。,相反，,若,空隙细小,（如粘性土），重力释水时大部分水以结合水与悬挂毛细水形式滞留于空隙中，给水度往往很小。,第二章 岩石中的空隙与水分,2.3.3 给水度,当,初始地下水位埋藏深度,小于,最大毛细上升高度时,，地下水位下降后，重力水的一部分将转化为支持毛细水而保留于地下水面之上，从而使给水度偏小。,第二章 岩石中的空隙与水分,2.3.3 给水度,可能的原因,1）,重力释水,并非瞬时,完成，而往往,滞后,于水位下降；,2）,迅速释水时,大,、,小孔道释水不同步,，大的孔道优先释水，在小孔道中形成悬挂毛细水而不能释出。,地下水位下降速率,第二章 岩石中的空隙与水分,2.3.4 持水度,定义,：,地下水位下降一个单位深度，单位水平面积岩石柱体反抗重力而保持于岩石空隙中的水量，称作持水度,。,包气带,充分重力释水而又未受到蒸发、蒸腾消耗时的含水量称作,残留含水量,数值上相当于最大的持水度。,给水度、持水度与孔隙度的,关系,影响因素,第二章 岩石中的空隙与水分,2.3.5 透水性,岩石允许水透过的能力,以松散岩石为例，分析,一个,理想孔隙通道,中水的运动情况,第二章 岩石中的空隙与水分,2.3.5 透水性,岩石允许水透过的能力,圆管状孔隙通道的纵断面，孔隙的,边缘上,分布着在寻常条件下不运动的,结合水,，,其余部分是重力水,。由于附着于隙壁的结合水层对于重力水，以及重力水质点之间存在着,摩擦阻力,，最近边缘的重力水流速趋于零，中心部分流速最大。,结论,：孔隙直径愈小，结合水所占据的无效空间愈大，实际渗流断面就愈小；同时，孔隙直径愈小，可能达到的,最大流速,愈小。,因此,，,孔隙直径愈小，透水性就愈差,。当孔隙直径小于两倍结合水层厚度时，在寻常条件下就不透水。,第二章 岩石中的空隙与水分,2.3.5 透水性,把松散岩石中的,全部孔隙,通道,概化,为一束相互平行的等径圆管，则不难,推知,：,当,孔隙度一定,而,孔隙直径愈大,，则圆管通道的数量愈少，但有效渗流断面愈大，,透水能力就愈强,；,反之,，孔隙直径愈小，透水能力就愈弱。,由此可见，,决定透水性好坏的,主要,因素,是孔隙大小；只有在孔隙大小达到一定程度，孔隙度才对岩石的透水性起作用，孔隙度愈大，透水性愈好。,第二章 岩石中的空隙与水分,b,概化为沿程等经的圆管,a,孔隙通道原型,c,概化为沿程不等径圆管,第二章 岩石中的空隙与水分,实际的孔隙通道并不是直径均一的圆管，而是直径变化、断面形状复杂的管道系统（图a）。岩石的透水能力并,不取决,于平均孔隙直径（图b），而在很大程度上取决于最小的孔隙直径（图c）,（木桶原理）,实际的孔隙通道也不是直线的，而是曲折的（,图,a）。孔隙通道愈弯曲，水质点实际流程就愈长，克服摩擦阻力所消耗的能量就愈大。,孔隙,大小,孔隙通道沿程直径的,变化,和曲折性,颗粒分选程度,孔隙度,